CIRCUITE ELECTRICE

CIRCUITE ELECTRICE

Din punctul de vedere al electrocineticii, circuitul electric este un sistem fizic format dintr-unul sau mai multe 'lanturi' inchise de corpuri conductoare (lanturi numite si ochiuri sau bucle), in care 'actioneaza' cel putin un camp electric imprimat si/sau solenoidal.

Din punctul de vedere al tehnicii, circuitul electric este alcatuit din surse si din receptoare de energie electrica, conectate intre ele in scopul transformarii energiei dintr-o forma neelectrica (la surse) in alta (tot neelectrica, la receptoare) prin intermediul unor procese de camp electromagnetic. Dupa variatia in timp a marimilor electrice de circuit (t.e.m., intensitate a curentului, potentiale ale diferitelor puncte ale circuitului etc.) exista: circuite de curent continuu si circuite de curent alternativ.

8.1. Elementele circuitelor electrice. Parametri de circuit

Din punctul de vedere al proceselor de camp, circuitele contin ca elemente constitutive: rezistoare, bobine si condensatoare, numite si componente de circuit. Acestea pot fi active (in special rezistorul si bobina), cand sunt sediul unor tensiuni electromotoare, sau pasive.

Daca parametrii caracteristici ai acestor dispozitive (rezistenta, inductanta, capacitate) sunt independenti de curentul electric sau de tensiunea aplicata la bornele lor, ele constituie elemente de circuit liniare.

In conductoarele metalice, legea conductiei electrice exprimata prin relatiile sau se realizeaza cu foarte mare precizie si de aceea metalele sunt incadrate in categoria de conductoare numite liniare. In lichide, cu unele exceptii, deplasarea sarcinilor electrice se face de asemenea in concordanta cu legea conductiei.

Curentul electric in gaze nu se supune insa nici macar cu aproximatie legii lui Ohm. Un astfel de mediu conductor in care curentul electric nu se supune legii conductiei se numeste neliniar. In afara de gaze, exista numeroase corpuri conductoare neliniare: straturile de tranzitie dintre metale si oxizii lor, anumite compozitii ceramice, semiconducrorii etc.

In cadrul elementelor de circuit electric sunt considerate neliniare arcul electric, dispozitivele semiconductoare, tuburile electronice sau ionice, bobinele cu miez de fier etc. Comportarea acestor componente in regim electrocinetic este descrisa de caracteristica tensiune - curent sau , numita caracteristica volt - amper, care este neliniara.

Elementele neliniare, intr-o retea, aduc uneori prejudicii functionarii retelei insa alteori, particularitatile lor sunt folosite la rezolvarea unor probleme importante de electrotehnica. De aceea, cunoasterea efectelor neliniaritatii circuitelor si a consecintelor ei este o chestiune de mare importanta practica.

8.1.1. Parametrii circuitelor electrice

Parametrii de circuit sunt marimi fizice care caracterizeaza comportarea elementelor de circuit aflate in camp electromagnetic. Ei sunt rezistenta, conductanta, inductivitatea (inductanta) proprie, inductivitatea (inductanta) mutuala, capacitatea, elastanta precum si impedanta, admitanta, reactanta, susceptanta -pentru circuitele de curent alternativ sinusoidal.

Parametrii de circuit pot fi concentrati, adica localizati in anumite elemente ale circuitului, sau distribuiti (uniform sau dupa o anumita lege) si depind de dimensiunile si forma corpului, de natura materialului, de omogeneitatea si izotropia sa etc. Ei sunt adesea sub influenta unor factori de mediu cum sunt temperatura, umiditatea etc, influenta care in unele aplicatii poate fi neglijata.

8.1.2. Elemente de circuit

Elementele de circuit sunt constituite in scopul realizarii unor anumite procese de camp: rezistorul pentru a transforma energia electromagnetica in caldura, bobina pentru a produce camp magnetic, condensatorul pentru a produce camp electric. Comportarea lor este caracterizata prin parametri de circuit cum sunt: rezistenta, conductanta, inductanta proprie si/sau mutuala, capacitatea etc.

Desi construite pentru a prezenta un anumit parametru de circuit, orice elemente de circuit prezinta simultan mai multi parametri al caror efect este mai mult sau mai putin semnificativ.

In regimuri cvasistationare, nu si la frecvente foarte ridicate, putem considera, fara erori pentru calculele practice, ca rezistorul prezinta numai rezistenta, bobina numai inductanta iar condensatorul numai capacitate.

In cele mai multe cazuri elementele de circuit nu au dimensiuni mari, iar acest lucru permite sa neglijem distributia spatiala a parametrilor circuitului, pe care ii consideram concentrati.

Rezistoare

Aceste elemente au rolul de a introduce in circuit o rezistenta electrica, consecinta a proprietatii fizice pe care o au.

Dupa marimea rezistivitatii, corpurile care prezinta rezistenta electrica pot fi:

- conductori electrici, propriu-zisi, avand rezistivitatea pana la circa 1 Wcm;

- semiconductori, a caror rezistivitate este cuprinsa intre circa 1 Wcm si 10¹⁰ Wcm;

- izolanti, cu rezistivitatea mai mare decat limita considerata maxima pentru rezistivitatea semiconductorilor.

Limitele de mai sus sunt orientative si nu riguroase: un corp cu rezistivitatea cuprinsa intr-o categorie poate prezenta proprietati specifice altei categorii.

Prezenta rezistentei in circuitele electrice are urmatoarele efecte:

- caderea de tensiune, efect definit prin diferenta de potential la bornele rezistorului de rezistenta R atunci cand este sub curentul i: . Intr-un circuit ca acela din figura 8.1, compus din sursa de t.e.m , receptorul de energie si conductoarele de legatura cu rezistentele si rezulta:

- caderea de tensiune pe rezistenta interna a sursei,

- tensiunea la bornele sursei,

- caderea de tensiune in conductoarele de legatura,

- tensiunea aplicata receptorului. In retelele electrice industriale se admite o cadere de tensiune procentuala in conductoarele de legatura (in linie) de maximum 5 %, in vederea asigurarii unei tensiuni normale de functionare la receptor;

- pierderea de putere si energie. In regim electrocinetic se produce o degajare de caldura. Viteza de transformare a energiei in caldura este egala cu puterea electrica absorbita de rezistor: . Rezistoarele aparatelor electrice de incalzit sunt construite tocmai pentru realizarea acestui efect (efectul termic al electrocineticii).

Rezistenta unui conductor metalic variaza cu temperatura ca si rezistivitatea, dupa modelul. In calculele practice este admisa inlocuirea lui R₀ cu R₂₀, temperatura de referinta fiind de 20 C, iar Dq fiind luata in raport cu aceasta temperatura. Diferenta dintre coeficientii de temperatura ai rezistentei si rezistivitatii se poate neglija practic, luandu-se , deoarece variatia dimensiunilor materialului cu temperatura este nesemnificativa fata de variatia rezistivitatii.

In apropiere de zero absolut rezistivitatea majoritatii metalelor scade brusc. Fenomenul se numeste supraconductivitate electrica (v. 4.6.2). In zona de temperaturi cuprinsa intre zero si 100 C rezistenta conductoarelor variaza liniar cu temperatura. Conductorii situati la limita intre proprietatile materialelor conductoare si ale celor semiconductoare, cum sunt nichelina, constantanul, manganina, prezinta particularitatea unei rezistente practic constante intre zero si 200 C. Ele servesc la confectionarea reostatelor pentru pornirea motoarelor electrice si la confectionarea rezistentelor pentru cuptoarele electrice. Caracteristicile pentru cazurile mentionate mai sus sunt cele din figura 8.2.

Rezistenta conductoarelor metalice se mai modifica si ca urmare a tratamentelor mecanice si termice; prin ecruisare rezistivitatea creste iar prin tratamentele de recoacere sau de revenire creste conductivitatea.

Din punctul de vedere constructiv rezistoarele se clasifica in rezistoare fixe si rezistoare variabile, iar din punctul de vedere al realizarii partii rezistive exista trei tipuri de rezistoare:

- rezistoare bobinate - la care partea rezistiva este un conductor metalic de mare rezistivitate bobinat pe un suport izolant;

- rezistoare peliculare - la care elementul rezistiv este format dintr-o depunere peliculara, rezistiva, cu grosime mai mica decat 100 mm, pe un suport izolant;

- rezistoare de volum - cu elementul rezistiv format dintr-un corp 'masiv' de diferite forme (de obicei cilindrica). Rezistoarele de acest tip se numesc si rezistoare chimice fiind realizate dupa o tehnologie de tip chimic.

Rezistoarele fixe au simbolul grafic reprezentat in figura 8.3 si sunt caracterizate prin:

- rezistenta nominala, si toleranta acesteia exprimata in procente din . Rezistoarele etalon au toleranta de 1% sau 2,5%, rezistoarele de precizie au toleranta de 2,5% si 5%, iar cele de uz curent au tolerante de la 5% pana la

- puterea de disipatie nominala reprezinta puterea electrica maxima ce poate fi dezvoltata in rezistor fara ca temperatura acesteia sa depaseasca valoarea maxima admisa;

- tensiunea nominala, , definita ca fiind tensiunea maxima de durata ce poate fi aplicata la bornele rezistorului;

- intervalul temperaturilor de lucru, in limitele caruia se asigura functionarea de durata a rezistorului.

Rezistoarele variabile al caror simbol de schema este prezentat in figura 8.4 sunt caracterizate in functie de tipul lor constructiv prin:

- rezistenta initiala, , definita ca rezistenta in pozitia initiala a contactului mobil;

- rezistenta saltului initial, definita ca variatia minima a rezistentei la deplasarea contactului mobil din pozitia initiala;

- rezistenta de contact, , adica rezistenta dintre contactul mobil si partea fixa (rezistiva);

- rezolutia sau precizia reglarii exprimata prin variatia minima posibila a rezistentei la deplasarea contactului mobil;

- modul de variatie al rezistentei, de exemplu, liniara, logaritmica etc, in functie de parametrul de pozitie al contactului mobil;

- puterea necesara actionarii contactului mobil, numit si cursor.

Contactul mobil se executa in diverse moduri ca: lamela, perie sau plot din bronz fosforos, alama sau otel 'apasat' pe parte fixa cu ajutorul unui arc spiral sau lamelar.

Din punct de vedere constructiv, rezistoarele variabile pot fi de forma rectilinie sau circulare. Cele circulare pot fi elicoidale (cu deplasare elicoidala a cursorului) sau cu unghi de rotatie.

In montaje, rezistoarele variabile se pot conecta in doua moduri: reostatic (fig. 8.5) si potentiometric (fig. 8.6).

Alte modalitati de legare a rezistoarelor variabile sunt prezentate in figura 8.7: reostat cu scurtcircuitare (a), reostat dublu (b), potentiometru cu contact fix (c). Potentiometrul cu contact median fix realizeaza un reglaj de la -U la +U al tensiunii de iesire.

Rezistoare neliniare. Dupa alura caracteristicii volt - amper, deosebim elemente neliniare simetrice si nesimetrice. Cele din prima categorie ( de exemplu: lampa cu filament metalic - figura 8.8a, lampa cu filament de carbune - figura 8.8b, tubul baretor - cu filament de fier sau volfram si umplut cu hidrogen sub presiune - figura 8.8c, termistorul -confectionat din pulberi de oxizi de cupru, titan sau zinc, presate la temperaturi inalte - figura 8.8d, varistorul -confectionat din carbura de siliciu - figura 8.8e) au curba caracteristica simetrica in raport cu originea axelor de coordonate, ceea ce arata ca rezistenta lor depinde de curent in mod identic pentru ambele sensuri ale acestuia. La elementele nesimetrice (cum sunt dioda cu vid - figura 8.9a sau dioda semiconductoare - figura 8.9b) rezistenta depinde si de sensul curentului prin element.